लेजर वेल्डिंग कैसे काम करती है?

मूल भौतिकी: लेजर ऊर्जा वेल्ड कैसे बनाती है

ऊर्जा अवशोषण, संगलन सीमाएँ और पदार्थ की तापीय प्रतिक्रिया

जब लेजर वेल्डिंग शुरू होती है, तो उन तीव्र फोटॉन्स की धातु की सतह पर टक्कर होती है और वे अपनी ऊर्जा भीतर के इलेक्ट्रॉन्स में स्थानांतरित कर देते हैं। शुरूआत में, धातुएँ इस नियर-इन्फ्रारेड प्रकाश का बहुत कम अवशोषण करती हैं, वास्तव में इसके 50 से 90 प्रतिशत को परावर्तित कर देती हैं। लेकिन जब स्टील की सामग्री में लगभग 1500 डिग्री सेल्सियस पर गलन शुरू होता है तो स्थिति में भारी बदलाव आता है। ऊर्जा को अवशोषित करने की क्षमता इस चरण संक्रमण के दौरान लगभग दस गुना बढ़ जाती है। ऐसा क्यों होता है, यह अधिकतर शक्ति घनत्व पर निर्भर करता है। अधिकांश इंजीनियरिंग मिश्र धातुएँ एक वर्ग सेंटीमीटर पर एक मिलियन वाट से अधिक के संपर्क में आने पर विश्वसनीय ढंग से पिघलना शुरू कर देती हैं। आवश्यक ऊर्जा की मात्रा निर्धारित करने में तापीय चालकता भी एक बड़ी भूमिका निभाती है। उदाहरण के लिए तांबे को लें, जिसकी तापीय चालकता 401 वाट प्रति मीटर केल्विन है, जबकि टाइटेनियम के लिए केवल 22 वाट प्रति मीटर केल्विन है। इसका अर्थ है कि तांबे को समान गलन गहराई प्राप्त करने के लिए लगभग तीन गुना अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। वेल्ड की गुणवत्ता को बनाए रखने के लिए सावधानीपूर्वक तापमान नियंत्रण की आवश्यकता होती है। यदि अधिकतम तापमान उस सामग्री को वाष्पीकृत करने के लिए आवश्यक तापमान के 80 प्रतिशत से अधिक चला जाता है, तो अत्यधिक वाष्प विस्तार से अंतिम उत्पाद में अवांछित पोरोसिटी (छिद्रता) उत्पन्न होने लगती है।

चालन मोड बनाम कीहोल मोड: प्रत्येक कब और क्यों होता है

वेल्डिंग मोड का चयन नियंत्रण और भेदन के बीच एक मौलिक समझौते को दर्शाता है:

चालन मोड वेल्डिंग में, ऊष्मा सामग्री के माध्यम से पार्श्व रूप से फैलती है, जिससे बैटरी केसिंग को सील करने के लिए उपयुक्त बनाता है जहां हमें कम ऊष्मा इनपुट बनाए रखने की आवश्यकता होती है। जब तीव्रता बढ़ जाती है, तो हम कीहोल मोड में प्रवेश कर जाते हैं। वाष्प दबाव मूल रूप से धातु में एक अस्थायी छेद बना देता है, जिससे लेजर बीम कार्यपृष्ठ में गहराई तक प्रवेश कर सकता है। यह विधि 15 मिमी के आसपास की मोटी जहाज निर्माण इस्पात में भी एकल-पास वेल्ड को संभाल सकती है, हालांकि ऑपरेटरों को अपने मापदंडों पर नज़र रखनी चाहिए। बीम की स्थिति का बहुत महत्व होता है, साथ ही शक्ति स्तर और टॉर्च को कितनी तेजी से ले जाया जा रहा है। यदि वेल्डिंग के दौरान कीहोल ढह जाता है, जो कारखाने के वातावरण में आश्चर्यजनक रूप से अक्सर होता है, तो यह उन परेशान करने वाले छिद्रों को उत्पन्न करता है जो अंतिम उत्पाद को कमजोर कर देते हैं और पुनः कार्य की आवश्यकता होती है।

लेजर वेल्डिंग मशीन के मुख्य घटक

फाइबर लेजर स्रोत: पंपिंग, लाभ माध्यम और बीम उत्पादन

अर्धचालक डायोड का उपयोग करके दुर्लभ पृथ्वी सामग्री वाले विशेष ऑप्टिकल फाइबर में पंप करने पर फाइबर लेज़र उज्ज्वल, केंद्रित प्रकाश उत्पन्न करते हैं। इस प्रक्रिया में इन लाभ माध्यमों के भीतर उत्प्रेरित उत्सर्जन शामिल होता है, जिसके परिणामस्वरूप लगभग 1,060 से 1,080 नैनोमीटर लंबाई की एक स्थिर लेज़र बीम बनती है। यह तरंगदैर्घ्य सीमा उस सीमा से मेल खाती है जहाँ अधिकांश धातुएँ ऊर्जा को सबसे अच्छी तरह अवशोषित करती हैं, जिसे औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाता है। बीम की गुणवत्ता कितनी अच्छी है, यह भी बहुत मायने रखता है। जब 1.1 से कम M वर्ग मान के रूप में मापा जाता है, तो बेहतर बीम गुणवत्ता का अर्थ है कि हम लेज़र को छोटे स्थानों पर केंद्रित कर सकते हैं और कटिंग या वेल्डिंग ऑपरेशन के दौरान गहरे सामग्री प्रवेश प्राप्त कर सकते हैं। तापीय नियंत्रण भी ऐसी चीज़ नहीं है जिसे निर्माता अनदेखा कर सकते हैं। यदि चीजें बहुत गर्म हो जाती हैं, तो आउटपुट शक्ति में महत्वपूर्ण रूप से गिरावट आती है—पिछले साल मटीरियल प्रोसेसिंग जर्नल में प्रकाशित शोध के अनुसार, डिज़ाइन की गई सीमा से आगे प्रत्येक 10 डिग्री सेल्सियस वृद्धि के लिए लगभग 15%।

बीम डिलीवरी, फोकसिंग ऑप्टिक्स, और पावर डेंसिटी नियंत्रण

लेजर किरणें लचीले ऑप्टिकल फाइबर्स के माध्यम से गति करती हैं ताकि सुरक्षात्मक खिड़कियों, कॉलिमेटर्स, गैल्वेनोमीटर स्कैनर्स और उन विशिष्ट F-थीटा लेंस जैसे विभिन्न डिलीवरी घटकों तक पहुंच सकें, जो किरण को केवल 20 माइक्रोमीटर चौड़ाई तक केंद्रित एवं आकार देने में सहायता करते हैं। कीहोल मोड में काम करते समय, ये लेजर प्रति वर्ग सेंटीमीटर 1 मिलियन वाट से अधिक की शक्ति घनत्व उत्पन्न करते हैं, जिसका अर्थ है कि सामग्री लगभग तुरंत वाष्पित हो जाती है। लेजर के फोकस की दूरी में परिवर्तन करना या वृत्ताकार दोलन जैसी तकनीकों का उपयोग करने से वेल्डिंग के दौरान गलित पूल को स्थिर रखने और अवांछित छिटकाव को कम करने में मदद मिलती है। उदाहरण के लिए फोकल लंबाई में समायोजन लें: इसे छोटा करने से शक्ति घनत्व में लगभग 40 प्रतिशत की वृद्धि होती है, लेकिन फोकस की गहराई के लिए टोलरेंस अधिक सख्त हो जाते हैं। इससे विभिन्न भागों में अच्छी वेल्ड गुणवत्ता बनाए रखने के लिए वास्तव में सटीक गति नियंत्रण प्रणाली की आवश्यकता होती है।

वेल्ड निर्माण प्रक्रिया: प्रकाशन से लेकर ठोस जोड़ तक

गलित पूल गतिशीलता, कीहोल स्थिरता और ठोसीकरण सूक्ष्मसंरचना

जब लेजर किरण सामग्री से टकराती है, तो वह क्षेत्र को इसके पिघलने के बिंदु से अधिक तक तेजी से गर्म कर देती है, जिससे एक पिघला हुआ पूल बनता है जो वेल्डिंग मोड के आधार पर अलग-अलग तरीके से व्यवहार करता है। कीहोल वेल्डिंग के साथ, वाष्प दबाव एक गहरा संकरा छेद बनाता है जो कभी-कभी 25 मिमी की गहराई तक पहुँच जाता है। दोषों के लिहाज से इस गुहा की स्थिरता बहुत महत्वपूर्ण है क्योंकि जब यह अत्यधिक ढह जाती है तो अशांति पैदा हो सकती है जिससे उत्पादन वेल्ड के लगभग 12% में छिद्र बन सकते हैं, जैसा कि पिछले साल मटीरियल्स प्रोसेसिंग के जर्नल के शोध में बताया गया था। चालन मोड वेल्डिंग में बहुत उथले पूल बनते हैं जो बिना अधिक तरल गति के अपेक्षाकृत शांत रहते हैं। जैसे-जैसे लेजर आगे बढ़ता है, धातु लगभग तुरंत ठोस होना शुरू हो जाती है क्योंकि ठंडा होने की दर एक मिलियन डिग्री प्रति सेकंड से भी अधिक होती है। इतनी तेज ठंडक दानों की संरचना में सुधार करने में मदद करती है और उन भंगुर इंटरमेटैलिक यौगिकों को कम करती है जो जोड़ों को कमजोर करते हैं। परीक्षणों से पता चलता है कि इससे वेल्डेड भाग ऐसे भागों की तुलना में लगभग 30% अधिक लचीले हो जाते हैं जो पारंपरिक आर्क वेल्डिंग विधियों से बने होते हैं। अच्छे परिणाम प्राप्त करना कीहोल के आकार और चीजों के ठंडा होने की गति दोनों को नियंत्रित करने पर भारी हद तक निर्भर करता है, जिसीलिए एक उचित तरीके से सेट अप लेजर वेल्डिंग प्रणाली होना इस बात में बहुत अंतर डालता है कि हमें समान दाने मिलते हैं या तनाव को केंद्रित करने वाली समस्यामय डेंड्राइटिक संरचनाएं।

लेजर वेल्डिंग सटीकता और प्रदर्शन कैसे प्रदान करती है

लेजर वेल्डिंग इतनी सटीक हो जाती है क्योंकि यह सामंजस्यपूर्ण प्रकाश को 0.1 मिमी से भी कम चौड़ाई वाले बहुत छोटे स्थानों तक केंद्रित करती है, और किरण के फैलाव को 0.1 डिग्री से कम रखती है। इससे 1 मेगावाट प्रति वर्ग सेंटीमीटर से अधिक की शक्ति घनत्व उत्पन्न होती है, जिससे आवश्यकतानुसार सटीक स्थान पर सामग्री तेजी से पिघल जाती है, जबकि ऊष्मा प्रभावित क्षेत्र लगभग आधे मिलीमीटर तक ही सीमित रहता है, जबकि पारंपरिक आर्क वेल्डिंग विधियों में यह 5 से 15 मिमी होता है। अंतिम परिणाम? पुर्जे लगभग बिना विकृति के रहते हैं, उनके मूल धातु गुण बरकरार रहते हैं, और एल्युमीनियम-लिथियम या निटिनॉल जैसे जटिल मिश्र धातुओं पर भी समस्यामुक्त काम किया जा सकता है। आधुनिक प्रणालियों में अब बीम दोलन और पल्स आकार जैसी उन्नत सुविधाएं होती हैं जो वास्तव में प्रक्रिया के दौरान पिघली हुई धातु के प्रवाह और ठोसीकरण को नियंत्रित करती हैं। रोबोटिक बाहुओं के साथ जुड़कर, लेजर वेल्डर 100 मिमी प्रति सेकंड से अधिक की अद्भुत गति से सुसंगत और मजबूत जोड़ बना सकते हैं, जो TIG या MIG वेल्डिंग तकनीकों की तुलना में 2 से 10 गुना तेज है। ये प्रणाली चुनौतीपूर्ण स्थितियों और विभिन्न सामग्री संयोजनों जैसे कॉपर को एल्युमीनियम से जोड़ने के साथ-साथ उन झंझट भरी इंटरमेटैलिक परतों का ध्यानपूर्वक प्रबंधन भी कर सकती हैं। एयरोस्पेस घटकों से लेकर मेडिकल उपकरणों और इलेक्ट्रिक वाहनों तक के उद्योगों में निर्माता अब कम खराब होने वाले पुर्जों, फिनिशिंग कार्य की कम आवश्यकता और समग्र रूप से बेहतर उत्पादकता मेट्रिक्स का अनुभव कर रहे हैं।